CC BY
14
УДК 621.762:669.295
ОПЫТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЛИСКОВОЙ ЗАГОТОВКИ ПЕРВОЙ ИТЕРАЦИИ ИЗ ГРАНУЛ СПЛАВА ВТ6
Ю.Г. Быков, канд. техн. наук (ФГУП ММПП «Салют»), Е.И. Хомяков, канд. физ.-мат. наук (ООО«ЛНТ»), А.И. Логачева, канд. техн. наук, В.Н. Бутрим, канд. техн. наук (ОАО «Композит»), Л.Р. Ананьева ( ФГУП ММПП «Салют», emailogmet@salut.ru)
На основе разработанной математической модели сконструирована и изготовлена капсула для заготовки блиска первой итерации из гранул сплава ВТ6. Показана последовательность технологических операций изготовления основных конструкционных элементов капсулы - центрального и межлопаточных закладных элементов. Исследована структура и получены механические свойства материала заготовки. Определены фактические отклонения геометрических размеров заготовки от математической модели.
Ключевые слова: заготовка блиска, гранулы сплава ВТ6, математическая модель, капсула, структура.
Experience in Manufacturing of a First Iteration Blisk of VT6 Alloy Powder. Yu.G. Bykov, Ye.I. Khomyakov, A.I. Logachiova, V.N. Butrim, L.P. Ananieva.
Based on the mathematical model developed, a can was designed and manufactured for production of a first iteration blisk of VT6 alloy powder. Sequence of technological operations used for manufacturing of main structural elements of the can, namely central and interblade inserts, is shown. A structure has been examined and mechanical properties of blisk material have been determined. Actual deviations of geometrical dimensions of the blisk from the mathematical model have been determined.
Key words: blisk, VT6 alloy powder, mathematical model, can, structure.
Преимущества блисковой конструкции общеизвестны: это отсутствие замковых соединений для крепления лопаток, как концентраторов напряжений, возможность разместить на ободе диска необходимое по расчетам количество лопаток, уменьшение массы. Несмотря на сложность технологии изготовления, низкую технологическую и эксплуатационную ремонтопригодность, данное конструкторское решение остается одним из главных направлений в создании двигателя нового поколения [1].
Блисковые конструкции могут быть изготовлены методами фрезерования [2], электрохимической обработки [3] или сварки [4, 5]. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. В качестве примера можно привести ситуацию с производством на ММПП «Салют» блиска первой ступени КНД двигателя АИ 222-25. Эти моноколеса изго-
тавливают методом механической обработки штампованной заготовки из титанового сплава ВТ6, который имеет ряд существенных недостатков, а именно:
- низкий КИМ, так для изготовления блиска первой ступени массой 15 кг используется заготовка массой 135 кг;
- механическая обработка проводится на шестикоординатных обрабатывающих центрах тиРВОВЫБК, один час работы которого стоит ~3000 руб. при значительной длительности процесса;
- фрезерованием невозможно получить очень тонкие лопатки.
Электрохимическим способом производятся блиски средних и малых размеров. К достоинствам этого метода следует отнести высокую стабильность процесса и его производительность, он эффективен при массовом производстве. А как недостаток можно отме-
тить сложности подготовки производства из-за необходимости иметь электроды оптимальной геометрической формы, которая на практике достигается в несколько итераций.
На заводе «Салют » разработана опытная технология изготовления крупногабаритных блисков компрессоров низкого и высокого давления из сплава ВТ25У методом электронно-лучевой сварки. Она заключается в изготовлении лопаток из штампованных заготовок с хвостовиками, образованными плоскими поверхностями, в токарной обработке обода диска, сборке лопаток с ободом в специальном приспособлении и электроннолучевой сварке на установке типа ЭЛУ20. Положительное свойство данной технологии - это высокая технологическая и эксплуатационная ремонтопригодность блиска.
Альтернативным рассмотренным технологиям изготовления блисков является прогрессивный метод гранульной металлургии. Преимущества этого метода: повышение КИМ, изотропность свойств материала заготовки и, что особенно важно, возможность минимизировать объем фрезерных работ на обрабатывающих центрах. Следует отметить, что гранульная технология титановых сплавов впервые успешно опробована в ОАО ВИЛС, где из гранул сплава ВТ25У были изготовлены центробежное колесо диаметром 380 мм с закрытыми сложнопрофильными лопатками и заготовка опоры вала дисков компрессора диаметром 490 мм для авиационного ГТД [6].
В работе[7] рассмотрена технология изготовления блиска комбинированным методом. Лопатки и полотно диска из сплава ВТ25У изготавливали штамповкой и окончательной механической обработкой. Лопатки имели хвостовики в виде ласточкиного хвоста для обеспечения их расстановки по окружности. Диффузионное соединение лопаток с диском обеспечивала ободная часть диска, выполненная компактированием гранул из того же сплава. Однако эта технология не позволила обеспечить требуемый уровень прочностных свойств на границе элементов блиска, полученных механической обработкой, с гранульным компактом.
Блиск, изготовляемый на ММПП «Салют», имеет 19 лопаток высотой 18,6 мм и хордой
120 мм. Максимальный диаметр блиска равен 614 мм, а максимальная высота 130 мм. При этом центральная часть блиска выполнена с переменным диаметром 250-350 мм. Лопатки имеют пространственную трехмерную закрутку, их толщина переменная как по радиусу, так и по высоте.
Сложная конструкция рациональной заготовки блиска может быть реализована, как минимум, в две итерации (этапа), каждая из которых представляет достаточно длительный процесс. На первом этапе расчетными методами конструируется капсула заготовки с припуском 5-7 мм по проточной части. После изготовления заготовка подвергается тщательному обмеру, и уже на втором этапе, используя экспериментально полученные данные, уточняются геометрические размеры межлопаточных закладных элементов, проектируется и изготавливается заготовка с минимальным припуском по профилю пера лопатки.
Окончательная геометрия детали, получаемой компактированием методом ГИП порошка в капсуле, является результатом сложной, неравномерной усадки однородного порошкового материала, помещенного в металлическую форму с неравномерной жесткостью. Чем выше желаемая сложность детали и соответственно капсулы, задающей исходную форму порошку, тем сложнее ее формоизменение. Размеры порошковых частиц, их сферичность, морфология порошка, его текучесть при заполнении капсул и возможность достижения наиболее высокой относительной плотности засыпки являются чрезвычайно важными для технологического процесса ком-пактирования такой сложной детали, как заготовка блиска.
В целом процесс ГИП деталей сложной формы с частично или полностью необрабатываемыми поверхностями основан на компьютерном моделировании формоизменения капсул с порошком и формирующими закладными элементами и комплексном проектировании (САЭ) на его основе технологического инструмента, который обеспечивает конечные размеры детали в результате консолидации и значительной неравномерной объемной усадки порошкового материала.
Поэтому процесс разработки технологии ГИП деталей сложной формы, основанный на комплексном моделировании процесса ГИП, состоит из следующих этапов [8]:
- генерация компьютерных файлов, описывающих геометрию деталей после ГИП;
- математическое моделирование и разработка концептуальной конструкции капсулы;
- трехмерное моделирование особенностей пластического течения при уплотнении и формоизменении и построение СЛЭ-файлов геометрии капсул и закладных элементов, формирующих полости и каналы в детали;
- изготовление на их основе капсул и технологической оснастки, ГИП демонстраторов и прототипов детали;
- измерение и анализ пространственной геометрии полученных деталей, повторное моделирование и корректировка проектных файлов для оснастки;
- изготовление опытных партий деталей, отвечающих размерным требованиям.
В соответствии с описанной моделью были проведены расчеты различных вариантов конструкции капсулы. В частности, в первом варианте конструкции капсульной оснастки в результате расчетов была выявлена опасность изгиба капсулы и, как следствие, заготовки блиска в процессе цикла ГИП (рис. 1, а). Были предложены несколько вариантов конструкций для ликвидации этого изгиба (рис. 1, б). Расчеты показали возможность управления формоизменением путем конструктивных решений.
Руководствуясь результатами математического моделирования и требованиями по повышению технологичности изготовления оснастки, в качестве окончательного варианта была предложена конструкция капсулы, приведенная на рис. 1, в.
Основными конструктивными элементами этой капсулы являются центральный закладной элемент (ЦЗЭ), изготовленный методом гранульной металлургии, формирующий тело собственно диска, и межлопаточные закладные элементы (МЗЭ), необходимые для формирования полости, которая после засыпки гранул и их компактирования обеспечивает требуемую форму лопатки с необходимым
Рис. 1. Конструкция капсулы:
а, б, в - первый, промежуточный, окончательный варианты соответственно [9]
припуском под механическую обработку и монолитную связь лопаток с центральным закладным элементом.
Если изготовление ЦЗЭ считается освоенной технологией, заключающейся в последовательности следующих операций: изготовление капсулы, засыпка ее гранулами сплава ВТ6, компактирование, термообработка, удаление капсулы, механическая обработка, ультразвуковой контроль и определение механических свойств заготовки, то получение МЗЭ является достаточно сложным технологическим процессом.
МЗЭ изготавливают из стали 20, и основные требования, предъявляемые к ним - это
минимальный объем механической обработки и низкая стоимость изготовления. В условиях завода «Салют» МЗЭ могут быть изготовлены двумя способами — механической обработкой и литьем. Первый способ, требующий использования пятикоординатных обрабатывающих центров, неприемлем из-за загруженности оборудования. Кроме того, он имеет низкое значение КИМ. Второй способ можно реализовать несколькими методами литья. В табл. 1 приведены характеристики некоторых литейных процессов, потенциально возможных для использования. Исходя из главного критерия оптимального способа литья - соотношения минимума механической обработки отливки и ее стоимости - был выбран относительно дешевый способ литья в песчано-глинистые формы, разновидностью которого является литье в холоднотвердеющие смеси.
Литниковая и питательная системы были спроектированы так, чтобы одна из двух криволинейных поверхностей МЗЭ не подвергалась механической обработке. Технологический процесс изготовления межлопаточных закладных элементов состоял из следующих операций:
1. Разработка 3Э-модели детали и 3Э-мо-дели отливки МЗЭ.
2. Проведение моделирования литниковой системы.
3. Математическое моделирование про-
цесса кристаллизации отливки с литниковой системой.
4. Изготовление полимерной модели отливки с использованием технологии быстрого прототипирования (SLA — 7000).
5. Проведение оптического контроля модели.
6. Формовка модели в холоднотвердеющей смеси.
7. Заливка формы сталью 20Л.
8. Выбивка формы и обрубка отливки.
9. Обдувка отливки дробью.
10. Оптический контроль отливки, доработка математической модели отливки и изготовление уточненной SLA-модели.
11. Изготовление отливок в необходимом количестве.
12. Контроль габаритных размеров отливок.
Корректировка математической модели МЗЭ позволила уменьшить фактические отклонения геометрических размеров отливок с первоначальных значений (+2,6)-(-2,6) до (+0,6)-(-1,8) мм. На рис. 2, а, б приведены результаты оптического контроля отливок на начальном этапе и после проведения корректировки математической модели, а на рис. 3 - внешний вид окончательно изготовленного МЗЭ.
Окончательно изготовленную и проверенную на герметичность капсулу блиска заполняли гранулами в ОАО «Композит». Гранулы крупностью 200-250 мкм получали на цент-
Таблица 1
Характеристика литейных процессов*
Способ литья Объем механической обработки Класс точности отливки ОСТ 1015 Длительность реализации процесса Стоимость
Литье в оболочковые песчано-смоляные формы Большой 5 Длительный Средняя
Литье в песчано-глинистые формы Частичная механическая обработка 2 Быстрый Низкая
Литье по выплавляемым моделям Минимальный 8 Длительный Большая
Литье в кокиль Минимальный 8 Длительный процесс изготовления кокиля Средняя
* По данным Ю.Е. Небогатова, В.И. Тамаровского. Специальные виды литья. - М.: Машиностроение, 1975. - 174 c.
Рис. 2. Результаты оптического контроля отливок межлопаточных закладных элементов:
а - начальный этап; б - после проведения корректировки математической модели
Рис. 3. Внешний вид МЗЭ
робежной установке типа УЦР-4. Затем магнитной и электростатической сепарацией удаляли металлические примеси. Как видно из рис. 4, гранулы имеют удовлетворительную сферическую форму.
Рис. 4. Гранулы сплава ВТ6
Засыпку гранул проводили на установке засыпки и герметизации капсул с одновременной герметизацией засыпной горловины. Затем капсулу с гранулами дополнительно контролировали погружением в нагретую до 80 °С воду с выдержкой под водой в течении 40 мин. Замечаний по герметичности капсулы не было.
Компактировали гранулы на газостате ЕРБ! БО 12200 по стандартному режиму для сплава ВТ6.
Далее после технологического отжига, механической обработки, вырезки технологического припуска (кольца)для определения механических свойств и структуры компакта методом травления были удалены МЗЭ. Операция удаления МЗЭ методом вытравливания в растворе 30 %-й азотной кислоты проведена в ОАО ВИЛС. Внешний вид заготовки до и после травления приведен на рис. 5.
Рис. 5. Заготовка блиска до (а) и после (б) травления
Механические свойства и микроструктурные исследования материала блиска определяли в тангенциальном и радиальном направлениях на плоскопараллельной пластине, вырезанной из заготовки ЦЗЭ и кольцевого технологического припуска, полученного при механической обработке заготовки. В табл. 2 приведен химический состав ЦЗЭ и технологического кольца, определенный методом спектрального анализа.
Химический состав (%) ЦЗЭ и технологического кольца Таблица 2
Образец Т1 С Б1 V А1 Ре
Кольцевая заготовка ЦЗЭ По ОСТ 1 90013-81 Основа Основа Основа ~0,02 0,01 +0,10 0,03 0,04 +0,10 3,87 3,98 3,5-5,3 5,85 5,93 5,3-6,8 0,18 0,16 +0,3
Химический состав материала заготовки блиска соответствует составу сплава ВТ6, при этом плотность материала ЦЗЭ равна 4,41 г/см3, а технологического кольца 4,40 г/см3, что также соответствует плотности сплава ВТ6 [10].
Результаты испытаний механических свойств при 20 °С в отожженном состоянии даны в табл. 3.
Изломы всех образцов имели вязкий характер, дефектов в виде пор не выявлено.
Следует отметить почти равнозначный уровень механических свойств различных частей заготовки, что обусловлено применением метода гранульной металлургии. Макроструктура материала заготовки удовлетворительная, размер зерна 150-200 мкм.
Микроструктура материала полученной заготовки типичная для (а+&)-титановых сплавов и одинакова как в ЦЗЭ, так в технологическом кольце (рис. 6).
После вытравливания МЗЭ был проведен обмер геометрических размеров заготовки на координатно-измерительной уста-
новке «АТОБ 11». Результаты измерений показаны на рис. 7, где приведены фактические отклонения от математической модели и изометрические проекции полученной заготовки.
Позиционирование заготовки проводили по корневому сечению лопаток. Зафиксированы максимальные значения отклонения от математической модели в венцевой части лопаток, которые с противоположных поверхностей составляют +12,054 и -9,261 мм. Совпадение модели с заготовкой в дисковой части удовлетворительное.
Проведенный объем исследований позволил определить комплекс мероприятий, которые необходимо выполнить для получения качественной заготовки второй итерации.
1. Откорректировать математическую модель заготовки блиска с учетом введения в нее изменений межлопаточных закладных элементов после полученных реальных размеров заготовки блиска и МЗЭ.
. ^ 111 Ш\ ОС*«? ••-•С * -1Г1. Л Л — мкм - - Ч'/ « --- 25 МКМ 1 --Л .С,— ^. .У
а б
Рис. 6. Микроструктура ЦЗЭ (а) и технологического кольца (б)
Таблица 3
Механические свойства элементов заготовки блиска
Элемент заготовки блиска Направление вырезки а0,2, МПа о , МПа в' % 9, % d , мм отп' кси, Дж/м2
ЦЗЭ Тангенциальное 941 950 998 1001 17,1 16,5 43,7 43,5 3,5 3,5 0,51 0,49
Радиальное 945 945 1007 1003 13,0 16,8 26,3 45,3 3,5 3,5 0,51 0,53
Технологическое кольцо Тангенциальное 937,9 933,5 982.3 980.4 15,8 15,3 39,8 43,2 3,5 3,5 0,51 0,52
По ОСТ 1-90187-89 930-1130 950-1150 >10 >25 >0,4
Рис. 7. Геометрические отклонения реальной
2. Изменить литниковопитающую систему получения МЗЭ с целью еще большей минимизации объема их механической обработки и повышения точности размеров отливки.
3. После механической обработки заготовки провести усталостные испытания лопаток блиска и исследовать качество диффузионного соединения диск+лопатка.
Выводы
1. Создана математическая модель заготовки блиска, на основе которой сконструиро-
й заготовки блиска от математической модели
вана и изготовлена капсула блисковой заготовки. Разработана технология изготовления ЦЗЭ и МЗЭ для данной капсулы. Применение гранульной технологии позволило увеличить КИМ до 45 % при изготовлении ЦЗЭ и МВЭ.
2. Установлено, что по химическому составу, плотности, структуре и механическим свойствам материал полученной заготовки блиска соответствует сплаву ВТ6.
3. Определены мероприятия, реализация которых позволит получить качественную блисковую заготовку второй итерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарибов Г.С., Сизова Р.Н., Ножницкий Ю.А. и
др. Переспективы производства авиационно-космических материалов и процесса их обработки в начале ХХ!//Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 106-117.
2. Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г., Крылов В.В., Хво-ростухин Л.А. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 2003. - 512 с.
3. Павлинич С.П. Перспективы применения импульсной электрохимической обработки в производстве деталей газотурбинных двигателей //Вестник УГАТУ. 2008. Т. 11. № 2 (29). С. 105-115.
4. Кашаев Р.М., Хусниллин А.М., Николаев В.В. О линейной сварке трением блиска компрессора ГТД//Газотурбинные технологии. 2009. № 2. С. 24-29.
5. Елисеев Ю.С., Масленков С.Б., Гейкин В.А., По-клад В.А. Технология создания неразъемных соединений при производстве газотурбинных двигателей. - М.: Наука и технологии, 2001. - 544 с.
6. Интеллектуальное богатство ВИЛСа//Техноло-
гия легких сплавов. 2006. № 3. C. 13-36.
7. Чепкин В.М., Маргунов Е.Ю., Зубарев Г.И., Колотников М.Е. Опыт создания рабочего колеса 1 ступени КВД по технологии блиск в ОАО «А. Люлька-Сатурн»//Новые технологические процессы и надежность ГТД. Блиски и блинги турбомашин. ЦИАМ. 1999. Вып. 1. C. 35-38.
8. Быков Ю.Г., Кратт Е.П., Хомяков Е.И., Федотов Е.Н. Разработка технологического процесса изготовления экономичных гранульных заготовок дисков ГТД//Авиационная промышленность. 2009. № 3. C. 24-27.
9. Пат. 76838 РФ от 03.06.08. Устройство для изготовления монолитного диска с лопатками/ Кратт Е.П., Е.И. Хомяков, В.Н. Ларионов, Ю.Г. Быков.
10. Машиностроение. Энциклопедия/Ред. совет: К.В. Фролов и др. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Т. II-3/И.Н. Фриндляндер, О.Г. Сенаторова, О.Е. Осинцев и др.; Под общ. ред. И.Н. Фринд-ляндера. - М.: Машиностроение, 2001. - 880 с.
